一种针对UPS系统的改进下垂控制方法转让专利
申请号 : CN202110821537.4
文献号 : CN113541518B
文献日 : 2022-07-26
发明人 : 丁石川 , 吴中东 , 郭小璇 , 杭俊 , 鲍海波
申请人 : 安徽大学
摘要 :
本发明公开了一种用于并联UPS系统的改进下垂控制方法，并联UPS有着未知系统参数和大量非线性负载，实现该控制方法首先要建立模块的约束性空间状态模型，然后基于Lyapunov函数反推出自适应控制方法，在传统P‑V下垂控制中加入自适应控制方法，并且通过在控制信号中添加虚拟阻抗，可保证并联UPS系统输出电压在给定的范围内，实现并联模块间功率精确分配。本发明使用的改进下垂控制方法，通过证明控制信号的有界性，表明对并联UPS系统输出电压的良好约束控制，可以适应不同的负载工况，实现良好的功率分配效果。
权利要求 :
1.一种用于并联UPS系统的改进下垂控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，采样得到并联UPS系统的输出电压及电感侧电流，计算得到并联UPS系统输出的有功功率与无功功率，通过传统P‑V下垂控制方程得到参考电压信号；
步骤二，建立并联UPS系统的约束性空间状态模型，并联UPS系统的控制目标是对输出量进行约束并确保所有闭环信号的有界性；
基于Lyapunov函数推导出并联UPS系统的自适应控制方程，在传统P‑V下垂控制中，加入自适应控制方程的自适应控制信号；
步骤三，在自适应控制信号中加入虚拟阻抗控制信号，并且由步骤一计算得到的有功功率反馈调节虚拟阻抗控制参数；
步骤一中传统P‑V下垂控制方程为：
* *
其中，Viref与firef分别为下垂控制环节输出电压幅值参考与频率参考，Vi与fi分别为UPS输出电压额定幅值与频率，m和n分别为有功功率与无功功率的下垂系数，Pi和Qi为UPS输出的有功功率和无功功率，P0和Q0为额定有功功率和无功功率；
步骤二中的自适应控制方程为：
式中，λC、λr、λL为控制参数，P、R为控制变量，e2为电流追踪误差，x2为模块输出电流信号， 为电流参考信号，与 分别为自适应电阻值与自适应电感值；kC、kr、kL为控制参数；
可得自适应控制信号：
式中，k2为控制参数，e2为电流追踪误差，x1、x2分别为模块输出电压与输出电流信号，为电流参考信号，与 分别为自适应电阻值与自适应电感值，ρ为控制参数；
步骤三中，加入虚拟阻抗信号的自适应控制信号为：
式中，kZi为虚拟阻抗控制参数，k2为控制参数，e2为电流追踪误差，与 分别为自适应电阻值与自适应电感值，x1、x2分别为模块输出电压与输出电流信号， 为电流参考信号，R为控制变量。
说明书 :
一种针对UPS系统的改进下垂控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于并联UPS系统控制技术领域，具体涉及一种针对UPS系统的改进下垂控制方法。
背景技术
[0002] UPS电源是能够提供可靠、持续、高质量和不间断电能供应的电力电子装置，它的主要电路组成是整流器和逆变器，蓄电池是UPS电源的储能设备。UPS电源作为供配电系统强有力的保障，自身必须具备高可靠性和快速修复能力。UPS电源的模块化可以极大提高供电的稳定性，通过检测负载功率的大小来控制投入运行的电源装置数量，具有良好的节能效果。随着互联网技术的快速发展，网络宽带速度的大幅提升，越来越多大型数据中心的建立，使得机房的装机容量在不断扩大，其中关键设备的稳定运行都需要不间断且可靠的电能供应，因此对UPS电源的需求量越来越大。
[0003] 为了增加系统的可靠性及带载能力，往往需多个UPS并联运行。并联模块控制主要有以集中控制、主从控制和分散控制为主的有互联线控制与以下垂控制为主的无互联线控制。其中，下垂控制由于模块间无需通信，系统可靠性更高，设计成本更低等优势得到广泛应用。在现有的研究中，为了提高微功率逆变器对线路参数的适应性，有学者在下垂控制的基础上增加了虚拟阻抗，再通过母线电压的补偿消除微电网电压的压降，但是无法很好的适应不同的负载情况。模型预测控制(MPC)是一种可以应用的方法，可是对系统模型要求较高。也有学者提出自动调节下垂系数的控制策略，但是动态响应较差。
[0004] 因此，针对具有大量非线性负载和未知系统参数的并联UPS系统，本发明提出了一种改进下垂控制方法。能够适应不同的负载情况，保证系统输出电压质量，实现功率的精确分配。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种针对UPS系统的改进下垂控制方法，解决以下技术问题：
[0006] (1)现有技术中，为了提高微功率逆变器对线路参数的适应性，在下垂控制的基础上增加了虚拟阻抗，再通过母线电压的补偿消除微电网电压的压降，但是无法很好的适应不同的负载情况；
[0007] (2)模型预测控制(MPC)对系统模型要求较高；
[0008] (3)现有技术中还有通过自动调节下垂系数的控制策略，但是动态响应较差。
[0009] 本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
[0010] 一种用于并联UPS系统的改进下垂控制方法，包括如下步骤：
[0011] 步骤一，采样得到并联UPS系统的输出电压及电感侧电流，计算得到并联UPS系统输出的有功功率与无功功率，通过传统P‑V下垂控制方程得到参考电压信号；
[0012] 步骤二，建立并联UPS系统的约束性空间状态模型，并联UPS系统的控制目标是对输出量进行约束并确保所有闭环信号的有界性；
[0013] 基于Lyapunov函数推导出并联UPS系统的自适应控制方程，在传统P‑V下垂控制中，加入自适应控制方程的自适应控制信号；
[0014] 步骤三，在自适应控制信号中加入虚拟阻抗控制信号，并且由步骤一计算得到的有功功率反馈调节虚拟阻抗控制参数。
[0015] 作为本发明的进一步方案，步骤一中传统P‑V下垂控制方程为：
[0016]
[0017] 其中，Viref与firef分别为下垂控制环节输出电压幅值参考与频率参考，Vi*与fi*分别为UPS输出电压额定幅值与频率，m和n分别为有功功率与无功功率的下垂系数，Pi和Qi为UPS输出的有功功率和无功功率，P0和Q0为额定有功功率和无功功率。
[0018] 作为本发明的进一步方案，步骤二中的自适应控制方程为：
[0019]
[0020]
[0021]
[0022] 式中，λC、λr、λL为控制参数，P、R为控制变量，e2为电流追踪误差，x2为模块输出电流信号， 为电流参考信号，与 分别为自适应电阻值与自适应电感值；
[0023] 可得自适应控制信号：
[0024]
[0025] 式中，k2为控制参数，e2为电流追踪误差，x1、x2分别为模块输出电压与输出电流信号， 为电流参考信号，与 分别为自适应电阻值与自适应电感值，ρ为控制参数。
[0026] 作为本发明的进一步方案，步骤三中，加入虚拟阻抗信号的自适应控制信号为：
[0027]
[0028] 式中，kZi为虚拟阻抗控制参数，k2为控制参数，e2为电流追踪误差，与 分别为自适应电阻值与自适应电感值，x1、x2分别为模块输出电压与输出电流信号， 为电流参考信号，R为控制变量，ρ为控制参数。
[0029] 本发明的有益效果：
[0030] 本发明所述下垂控制方法首先要建立模块的约束性空间状态模型，然后基于Lyapunov函数反推出自适应控制方法，在传统P‑V下垂控制中加入自适应控制方法，并且通过在控制信号中添加虚拟阻抗，可保证并联UPS系统输出电压在给定的范围内，实现并联模块间功率精确分配；
[0031] 本发明能够降低并联UPS系统的控制难度，对于线性负载和非线性负载都具有良好的控制效果，能够保证较好的输出电压质量与功率的精确分配，能够改进传统P‑V下垂控制方法中功率无法精确分配、动态响应慢、对负载的适应性差、控制过程繁琐、输出误差大等缺点，实用性强，易于实现。
附图说明
[0032] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0033] 图1为并联UPS系统的改进下垂控制方法流程框图。
具体实施方式
[0034] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035] 请参阅图1，一种用于并联UPS系统的改进下垂控制方法，包括如下步骤：
[0036] 步骤一，采样得到并联UPS系统的输出电压及电感侧电流，计算得到并联UPS系统输出的有功功率与无功功率，通过传统P‑V下垂控制得到参考电压信号；
[0037] 其中，P‑V下垂控制方程为：
[0038]
[0039] 其中，Viref与firef分别为下垂控制环节输出电压幅值参考与频率参考，Vi*与fi*分别为逆变器输出电压额定幅值与频率，m和n分别为有功功率与无功功率的下垂系数，P0和Q0为额定有功功率和无功功率；
[0040] 步骤二，建立并联UPS系统的约束性空间状态模型，并联UPS系统的控制目标是实现对输出量的约束及确保所有闭环信号的有界性；
[0041] 基于Lyapunov函数推导出其自适应控制方程，在传统P‑V下垂控制中，加入自适应控制方程计算得到的自适应控制信号，有效降低线路阻抗参数的影响；
[0042] 其中自适应控制方程信号通过以下方法计算得到：
[0043]
[0044] 其中状态变量为：
[0045] X(t)＝[V0 iL]T
[0046] 式中：
[0047] 定义跟踪误差为：
[0048] e1(t)＝y(t)‑yd(t)
[0049] e1(t)的范围为：
[0050]
[0051] 其中：
[0052] 使用映射函数将约束跟踪误差e1(t)变换为新变量s(t)：
[0053]
[0054] 建立含有电压电流追踪误差及系统参数C、r、L的Lyapunov函数：
[0055]
[0056] 式中，kC、kr、kL为控制参数， 为参数估计误差，e2为电流追踪误差，ρ为控制参数，可以得到自适应方程：
[0057]
[0058]
[0059]
[0060] 其中，λC、λr、λL为控制参数，P、R为控制变量，e2为电流追踪误差，x2为模块输出电流信号， 为电流参考信号，与 分别为自适应电阻值与自适应电感值；
[0061] 可得自适应控制信号：
[0062]
[0063] 式中，k2为控制参数，e2为电流追踪误差，x1、x2分别为模块输出电压与输出电流信号， 为电流参考信号，与 分别为自适应电阻值与自适应电感值，ρ为控制参数。
[0064] 步骤三，在自适应控制信号中加入虚拟阻抗控制信号，并且由步骤一计算得到的有功功率反馈调节虚拟阻抗控制参数，进一步提高并联系统的功率分配精度。
[0065] 将虚拟阻抗控制信号代入自适应控制信号：
[0066] Vi”＝Vi'‑iLi×Zi
[0067]
[0068] 控制信号方程为：
[0069]
[0070] 其中，kZi为虚拟阻抗控制参数，k2为控制参数，e2为电流追踪误差，与 分别为自适应电阻值与自适应电感值，x1、x2分别为模块输出电压与输出电流信号， 为电流参考信号，R为控制变量，ρ为控制参数。
[0071] 可以得到模块输出功率比例为：
[0072]
[0073] 本发明能够降低并联UPS系统的控制难度，对于线性负载和非线性负载都具有良好的控制效果，能够保证较好的输出电压质量与功率的精确分配。本发明是一种有效可靠的并联UPS系统控制方法。
[0074] 以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。